碳掺杂锗锑碲相变存储材料非晶形核、晶粒细化及低功耗的机理研究

Phase-change memory owns fast speed, high storage density, and non-volatile performances, which has wide applications in memory field. Carbon-doped Ge2Sb2Te5 (C-GST) has been industrialized and investigated extensively, due to the increasing crystallization temperature, short crystallization time (close to GST), lower-power consumption, and great chip yield. However, the reasons of improved performances after doping carbon are still unknown, particularly about phase-change mechanism, grain refinement, and low-power consumption. This project utilizes the advanced computational methods (global potential energy surface search and neural-network potential) and advanced experimental methods (aberration-corrected scanning transmission electron microscopy and X-ray absorption fine structure) to: (i) study the effect of impurities on nucleation, revealing the physical essence of high crystallization temperature and nanosecond crystallization time of C-GST; (ii) deduce the grain-boundary mobility quantificationally elaborates the effect of carbon on grain refinement, which illustrates its good scalability and high endurance; (iii) investigate the different effects of grain refinement on lattice thermal conductivity and carrier thermal conductivity, which uncover the physical reason of low-power consumption. These findings will provide the guidance to improve device performances of C-GST further.

相变存储器具有高速、高密度及非易失性特点，在信息存储领域有着广阔的应用前景。C掺杂Ge2Sb2Te5（C-GST）由于热稳定性好、相变速度快、功耗低、成品率高等优点被应用于芯片研制与产业化。然而，对C-GST背后机理研究甚少，特别是碳对相变材料形核影响、晶粒细化机理、低功耗机理，这制约了对其性能进一步优化与提升。本项目采用全局势能面结构搜索、神经网络势等先进计算方法结合球差矫正投射电镜、X射线吸收精细结构谱等先进表征手段揭示C-GST相变机理，为其产业化提供理论指导。主要研究内容分为以下三部分：（一）研究C元素对C-GST非晶形核影响，揭示C-GST高热稳定性、纳秒级结晶速度的物理本质；（二）研究C元素细化晶粒的物理机制，推导晶界迁移率公式、定量化阐述晶粒细化机理，揭示C-GST微缩性好和疲劳次数高的物理机制；（三）研究晶粒细化对晶格热导率、载流子热导率影响，实现器件低功耗的热导率调控。

相变存储器是一种具有高速、高密度和非易失性特点的技术，在信息存储领域有着广阔的应用前景。掺杂碳的Ge2Sb2Te5（C-GST）由于热稳定性好、相变速度快、功耗低、成品率高等优点，成为了新型相变存储芯片研制与产业化的重要材料。然而，对C-GST的背后机理研究还很少，特别是碳对相变材料形核过程、晶粒细化机理和低功耗机理的影响，这制约了对芯片性能进一步优化。因此，本项目研究了C-GST材料的基本物性，主要包括碳在非晶相变材料中的存在形式、碳对非晶形核的影响、碳细化晶粒，以及这些物性与器件性能之间的关系。（1）经过全局势能面搜索，我们发现碳主要以链或环的形式存在，而且可以很好地溶解于晶格中。由于碳的局部结构与晶格相匹配，因此不会妨碍非晶形核过程所必需的局部结构协同运动，从而不会降低器件的操作速度。基于掺杂对非晶形核过程的深入理解，我们从元素周期表中筛选出与晶格最匹配的Er元素，实现了器件操作速度为3ns、数据保持力为160℃、疲劳次数为10^7的性能指标。（2）利用先进的旋进电子衍射分析C-GST的晶粒大小，发现晶粒尺寸主要在6nm，且在450℃保温30分钟内未出现长大，相比于GST立方相（约20nm）和六方相（>100nm）的晶粒要小。由于晶界对声子具有极强的散射作用，可以降低体系的热导率。我们统计发现晶粒大小与相变材料热导率呈现线性关系：κ = 3.67×106D + 0.22（Wm-1K-1），其中κ是热导率，D是平均晶粒大小。有限元模拟表明，低热导率有利于提高相变区域的热效率并降低功耗。此外，通过全局势能面的计算，发现当碳-碳原子之间形成更多的化学键时，体系的能量更低，即碳原子倾向于聚集在一起。大的碳团簇在晶界位置可抑制阴阳离子在电场作用下的定向迁移，从而提高芯片的疲劳次数。（3）我们发现成核型相变材料，比如GST，存在非常稳定的Te界面（无悬挂键），即成核型相变材料晶粒小；同时，形核时固-液局部的类Te界面具有小的界面能是其有比生长型相变材料更快成核的原因。这些研究成果为C-GST工程化芯片的设计提供了理论指导。